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麻省理工空调能效新技术我国早有相同创意?谁来抢先布局?_5

发表于:2019-11-14 15:05 作者:新闻小编 来源:新闻小编

目前,在中央空调技术研究领域,空调制冷剂替代物是研究热点之一,目的是减少温室效应气体排放;另一个研究热点是提升空调能效,目的是降低空调能耗。

2018年7月,美国麻省理工学院(MIT)官网头版头条报道,该校机械工程系研究生提出了一种新型建筑物空调降温除湿方法。该方法可以很好地解决现有空调降温除湿中高能耗、低能效的问题。

图1:MIT官网关于该技术的报道

来源:MIT官网

对此,方象知产研究院研究发现,我国早在几年前就有人提出过类似方法,并申请了专利。方象知产研究院通过对该项技术进行简要分析,为关注该领域的技术研究人员、企业和投资人提供参考。

行业现状

影响空调降温除湿能效的因素是什么?

空调降温和除湿,都需要消耗能源。影响空调能效的主要原因是空调降温和除湿的效率。

以除湿为例,标准的除湿方法是在建筑物内部空间布放冷水(cold water)管路。如果水温低于“露点温度”,空气中的水蒸气就会在管路外表面凝结。冷凝水会排到建筑外部或冷凝水收集装置中,空气中的湿度因此降低。目前存在的问题是,要使冷水管路中的水温降到远低于室温的“露点湿度”,需消耗大量电能。如果能降低这方面能耗,就能有效提升空调效能。

若将降温和除湿两个功能分离,仅降温一项,可从两方面节省能耗:一方面,先将室外空气除湿再注入室内的方法,虽然这种方法也需要冷水处理,但比室内降温所需的冷水量要少很多,从而可以减少耗电量;另一方面,经研究人员验证,完成上述工作的同时,在天花板或地板管路中通“凉水”(cool water,温度比“冷水”高)即可维持舒适的温度环境,尤其是在夜晚预降温时更加容易。

但是分离出来的除湿功能,仍然需要将水蒸气通过冷水管路凝结,目前这一方面的技术没有突破,能效仍然很低,需要研究人员寻找新技术解决。

技术剖析

MIT设计“膜状物法”替代冷凝法

MIT提出的技术受“基于半透膜的海水盐沉淀技术”启发设计,主要原理是设计一种膜状物,通过阻止水蒸气分子通过,降低空气湿度,代替传统的冷凝法。

这个技术方案针对空调同时承担降温和除湿两类任务会消耗额外的能源的症结,将这两类任务分离开来,通过多种技术改进,可以解决现有空调降温、除湿中高能耗、低能效的问题。

双膜单元设计提高能效

为了探索膜技术应用,MIT的研究人员开始使用一个简单的系统,该系统的核心是一个含有膜的单元。室外空气进入装置(以下简称“进气”),真空泵将水蒸气吸入隔膜。然后泵压力升高到环境水平,将水蒸气变成液态水排出。不再潮湿的室外空气通过传统的冷却盘管进入室内空间,提供新鲜空气,并将室内温暖潮湿的废气(以下简称“出气”)推向室外。

图2:基于膜的真空泵冷却系统

来源:MIT官网

本设计的核心是一个含有膜的单元,该单元允许水分子通过,但阻止其他分子通过。室外空气进入膜单元,真空泵将水吸出,然后提高气压,将水排出。剩余的空气则通过冷却盘后进入室内空间,室内空间中温暖、潮湿空气被挤出。右侧的彩图表示各种温湿度环境下系统性能系数的变化。

通过一系列实验,研究人员尝试了各种设计。其中,最成功的一种设计使用了两个膜单元,相对简单但更巧妙。

在该系统中,真空泵将水蒸气推过膜单元1吸收水蒸气,但是捕获的水蒸气不会直接变成液态水,而是被推过膜单元2中的膜并且连接出气流。在这种设计中,真空泵仅需要确保膜2的上游侧的蒸汽压力高于下游侧的蒸汽压力,以便推动水蒸气运动,而无需将压力升高到环境水平,能耗很低。

与只有一个膜单元相同的是,不再潮湿的室外空气通过传统的冷却盘管进入室内空间,提供新鲜空气,并将室内温暖潮湿的废气(下简称“出气”)推向室外。

这种新颖的设计性能系数(COP)最高可以达到10,并且在许多温湿度组合下达到9——大幅超过现有系统。

图3:双膜系统

来源:MIT官网

该系统中,进气通过膜单元1、热交换器、冷却盘,一起对进气进行除湿和降温。上一个系统中,真空泵将进气中的水蒸气吸出,并将气压提升至环境气压,将水蒸气液化排出,而本系统只要将气压提升至超过膜单元2,并将水蒸气推出至出气即可,无需将其液化。出气通过热交换器、热泵(只在空气湿度饱和时运行,确保水蒸气不凝结,不污染膜单元2)。这种新设计的COP在很多气候条件下都能够超过9。

不同降温除湿系统性能均随环境温湿度水平变化,研究人员还研究了上述系统在不同气候城市中的性能。

该项技术受海水脱盐技术启发,通过循序渐进的设计与试验,在COP指标方面有很好的表现,能效提高显著。试验发现,该项设计在很广的温湿度范围内,COP指标都可以达到理想值,适用于不同地方的不同气候。

技术判断

技术能否产品化需要实践

MIT研究人员的研究结果为室内制冷提供了两个关键信息:一是使用膜和干燥剂可以提高空调效率,但只有把这些技术集成到科学设计系统中时,才能实现真正提升能效的作用;二是特定地区的气候和资源(能源和水资源)情况,也是选用最佳空调系统的重要参考因素。

目前,麻省理工大学的研究团队解决了该技术的热力学模型建模与仿真计算问题、各种设计与当前实际应用方法比较问题、各种设计在不同气候环境中的理论性能比较的问题。

尽管基于干燥剂和基于膜的除湿制冷技术有很大的应用潜力,但目前的研究处于建模和理论计算阶段,这些技术集成到系统级的设计中能否充分发挥作用,能否产品化,需要实践验证,需要克服一系列实际中遇到的问题。

技术应用前景向好

方象知产研究院分析认为,该项技术在建筑中央空调总体设计领域有较好的应用前景。

但在该项技术产品化和商业化应用时,应注意考虑以下问题:

1. 尽管传统的水蒸气压缩系统有其不可避免的缺陷,但基于干燥剂和/或膜的技术,需要进行科学合理的集成和能量回收利用才能实现良好效果。

2. 基于膜技术采用的真空泵的独立设计问题,已经证明高压缩率并不合适,而另有实验证明使用配备冷凝器的两阶段泵的设计具有良好的实际效果。在忽略成本的前提下,后者能够大幅提升系统性能,但这个设计并非在所有气候条件下都适用。

3. 独立的基于干燥剂的冷却系统,在较低温度条件下,性能优于独立的基于膜的冷却系统,因为后者冷凝能耗较高;在高温度和高湿度条件下,因为基于干燥剂的冷却系统降温和能量回收利用限制条件更高,因此基于膜的冷却系统是更好的选择。

延伸看点

纳尼?我国类似专利去年已获授权

MIT的这项建筑物空调新技术是不是很厉害?

通过专利检索,方象知产研究院发现,一篇由某公司申请的实用新型专利“一种温湿度独立处理装置”,已经于2017年3月获得授权,该专利与上述MIT的技术有异曲同工之妙。

该专利主要公开了一种温湿度独立处理装置,包括除湿装置、与除湿装置连接的热交换器。除湿装置与真空泵连接,热交换器与空调风机连接。除湿装置由空气通道、真空通道以及将二者隔开的高分子透水膜组成。

空气通道内设有相互流通的第一空气开口和第二空气开口,真空通道内设有排湿开口。空气从第一空气开口进入后,气体水分子通过高分子半透膜进入真空通道,由真空泵从排湿开口抽出。剩余未通过高分子透水膜的气体从排湿开口进入热交换器中,并通过空调风机排出。这种设计通过高分子透水膜将空气分离,在制冷过程中,可使用更高温度的冷源,以提高空调主机运行效率。

这项技术虽然申请了专利,但有没有产品化不得而知。

目前,MIT研究人员还没有在中国申请相关专利,这篇专利的所有者是不是该有所行动呢?相关投资人或者企业,是不是应该考虑一下,这项专利的持续开发利用价值以及投资价值呢?

END

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